25
ober 2012 TAR FORMATION AND REMOVAL IN BIOMASS GASIFICATION TO POWER PROJECTS STICKY BUSINESS 30 Octo ANTHONY F. BLACK

Tar Formation and Removal In Biomass … Technologies Conference 30 October 2012 • Pressure • 23‐45 psia • Temperature • Up to 400 F • AllowableTar From Babcock and Wilcox

  • Upload
    buitruc

  • View
    214

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

ober 2012

TAR FORMATION AND REMOVAL IN BIOMASS GASIFICATION TO POWER PROJECTS

STICKY BUSINESS

30 Octo

ANTHONY F. BLACK

30 October 2012Gasification Technologies Conference

“The typical project starts with new ideas, announcements at meetings, construction of the new gasifier. Then it is found that the gas contains 0.1­10% ‘tars.’ The rest of the time and money is spent trying to solve this problem Most of the gasifier projects thenproblem. Most of the gasifier projects then quietly disappear.”

2­Tom Reed (Reference 1)­Pictures from ECN

AGENDA

Black & Veatch and Biomass GasificationTar FormationTar RequirementsFrom A to BConclusions

3

BIOMASS GASIFICATION EXPERIENCE ATEXPERIENCE AT BLACK & VEATCHBLACK & VEATCH

4

HISTORY OF BIOMASS GASIFICATION WORK

30 October 2012Gasification Technologies Conference

HISTORY OF BIOMASS GASIFICATION WORK AT BLACK & VEATCH

• AlterNRG ‐ Preliminary Engineering,

SIF

ICATIO

N 2,500 tpd MSW to electricity, 

emissions to meet minor source 

requirements, air permit application 

(2008 2011 N O l LA)

OM

ASS G

AS (2008‐2011, New Orleans, LA)

• Plasco – Independent engineer 

for review of Trail Road demonstration 

plant (2009‐Present Ottawa Canada)

CH A

ND B

IO plant. (2009‐Present, Ottawa, Canada)

• InEnTec – OE, review FEED design of Fulcrum Bioenergy Plant.  (2010, Reno, NV)

• ICM – Due diligence of gasifier technology. (2009‐2010, Wichita, KS)

• EPI – Engineering review and feasibility study of co‐firing syngas in a boiler. (2001‐

ACK &

 VEAT EPI  Engineering review and feasibility study of co firing syngas in a boiler. (2001

2002, Lincoln, NE)

• Nexterra – Preliminary design of balance of plant and startup assistance.  (2008, USC & ORNL)

BLA

5Black & Veatch has a long history of work with biomass gasification technologies.

THE FORMATION OF TAR IN BIOMASS GASIFIERSGASIFIERS

6

MECHANISMS OF TAR FORMATION

30 October 2012Gasification Technologies Conference

• Pyrolysis

MECHANISMS OF TAR FORMATION

• Pyrolysis• Heating of biomass in absence of oxygen

• Final Temperature

• Heating Rate

ON

• Particle Size

• Type and Duration of Quench

R FORM

ATIO Quench

TAR

The species, characteristics, and quantities of tar formed depend on the gasifier process design. 7

TAR TYPES AND QUANTITIES (REFERENCE 1)

30 October 2012Gasification Technologies Conference

TAR TYPES AND QUANTITIES (REFERENCE 1)

• Downdraft

• 0.5 grains/scf• Benzene

• Fluidized

• 5 grains/scf• Benzene

• Updraft

• 50 grains/scf• Benzene

• Phenol

• Cresol

N hth l

• Naphthalene

• Phenanthrene

Fl th

• Toluene

• Acrolein

X l

ON

• Naphthalene

• Acephenanthrene

• Benzopyrene

• Fluoranthene

• Pyrene

• Indene

• Xylene

• Furan

• Fluorene

R FORM

ATIO

• Styrene• Pyrene

• Fluoranthene

TAR Updraft gasifiers tend to produce comparatively more tar than fluidized bed and fluidized bed than downdraft. 8

CLASSIFICATION OF TARS (REFERENCE 2)

30 October 2012Gasification Technologies Conference

CLASSIFICATION OF TARS (REFERENCE 2)

ON

R FORM

ATIO

TAR

The tars of primary concern are Class 5 and some Class 2 and Class 4. 9

ALLOWABLE TAR CONCENTRATIONS IN POWERIN POWER GENERATIONGENERATION EQUIPMENT

10

FUEL FEED TO BOILERS

30 October 2012Gasification Technologies Conference

FUEL FEED TO BOILERS

• Pressure• 23‐45 psia

• Temperature• Temperature• Up to 400 °F

• Allowable Tar

From Babcock and Wilcox

MENTS

Allowable Tar Concentration• 0.2 grains/scf or more

R R

EQUIR

EM

TAR

High allowable fuel feed temperature and low pressure make gas fired boilers tolerant of tars. 11

FUEL FEED TO RECIPROCATING

30 October 2012Gasification Technologies Conference

• Pressure

FUEL FEED TO RECIPROCATING ENGINES

• 75‐120 psia

• Temperature• 32‐140 °F

• Allowable Tar Concentration• 0 05 grains/scf

MENTS

• 0.05 grains/scf

R R

EQUIR

EM

TAR Low fuel feed temperature and moderate fuel feed pressure make the reciprocating engines moderately tolerant of tar. 12

FUEL FEED TO COMBUSTION

30 October 2012Gasification Technologies Conference

FUEL FEED TO COMBUSTION TURBINES

• Pressure• 450‐500 psia

• Temperature• Temperature• 50‐100 °F

• Allowable Tar

MENTS

Allowable Tar Concentration• 0.002 grains/scf

R R

EQUIR

EM

TAR Moderate gas feed temperature and high gas feed pressure make combustion turbines relatively intolerant of tars. 13

FUEL FEED TO FUEL CELLS

30 October 2012Gasification Technologies Conference

• Pressure

FUEL FEED TO FUEL CELLS

Pressure• 30‐500 psia

• Temperature• 90‐1,500 °F

• Allowable Tar Concentration

From NIST

MENTS

Concentration• 0.00005 grains/scf

R R

EQUIR

EM

TAR

Catalyst in the fuel cell requires a very pure fuel. 14

TECHNOLOGIES AVAILABLE FOR REDUCING TARREDUCING TAR CONCENTRATIONSCONCENTRATIONS

15

PRE‐GASIFICATION BIOMASS TREATMENT

30 October 2012Gasification Technologies Conference

PRE GASIFICATION BIOMASS TREATMENT

• Pyrolysis

90 95 t t• 90‐95 percent tar reduction.

• Still need to deal with tars/bio‐oils.

• Torrefaction

OM

 A T

O B • 25‐68 percent tar 

reduction

FRO

16Gasifying char from pyrolysis or torrefiedproducts reduces tar production.

IN‐SITU REDUCTION

30 October 2012Gasification Technologies Conference

• Quartz• In‐bed catalysts are i ll i d f

IN SITU REDUCTION

• Outlet tar concentration of 2.5‐10 grains/scf.

• Olivine

typically more suited for fluidized bed gasification.

• Olivine• Outlet tar concentration of 1.2‐2.5 grains/scf.

• In‐bed catalysts are more effective in a steam blown

• Dolomite• Difficult converting heavy tars

steam blown environment.

OM

 A T

O B

heavy tars.

• Maximum 90 percent reduction.

FRO Olivine and quartz in the bed material can help reduce tar, but additional removal would be necessary 17

POST GASIFICATION REMOVAL

30 October 2012Gasification Technologies Conference

POST GASIFICATION REMOVAL SCRUBBING

OM

 A T

O B

FRO

18

Oil scrubbers and venturi scrubbers can achieve less than 0.01 grains/scf tar in the syngas leaving the scrubber.

POST GASIFICATION REMOVAL

30 October 2012Gasification Technologies Conference

POST GASIFICATION REMOVALCATALYST

OM

 A T

O B

FRO

19

Nickel based tar reformers are capable of converting 90­99 percent of the tars in the syngas at a temperature of 1,550 to 1,650 °F.

POST GASIFICATION REMOVAL

30 October 2012Gasification Technologies Conference

POST GASIFICATION REMOVALPLASMA

OM

 A T

O B

FRO

20Capable of removing greater than 90 percent of naphthalene and about 70 percent of heavy tars.

CONCLUSIONS

21

TAR IS A MANAGEABLE PROBLEM FOR

30 October 2012Gasification Technologies Conference

TAR IS A MANAGEABLE PROBLEM FOR SOME POWER GENERATION TECHNOLOGIES

• Many biomass gasification plants will require more than one 

• Acceptable tar concentrations depend on power generation 

tar removal technology.

• The gas clean‐up train depends on the end‐use

equipment • 0.002 to 0.2 grains/scf

l depends on the end‐use technology.

• Combustion turbines 

• Tar removal technologies have progressed significantly 

NCLUSIO

NS and fuel cells are still a 

challenge.in the past decade.

CON

22

REFERENCES

30 October 2012Gasification Technologies Conference

REFERENCES

• Reference 1• S. Anis and Z.A. Zainal, “Tar Reduction in Biomass Producer Gas Via Mechanical, Catalytic and Thermal yMethods: A Review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011), Pages 2355‐2377

• Reference 2• Reference 2• T.A. Milne, R.J. Evans, and N. Abatzoglou, “Biomass Gasifier ‘Tars’: Their Nature, Formation, and Conversion ” NREL/TP‐570‐25357 November 1998

NCLUSIO

NS Conversion,  NREL/TP‐570‐25357, November 1998

CON

23

YOUYOU

www.bv.com